地球电子外辐射带的数据同化建模与分析

地球电子外辐射带对太阳与地磁活动呈现高度动态变化的响应,了解外辐射带的全球动态变化过程对于近地空间粒子辐射环境的理解认知和预测预报具有重要意义.基于卡尔曼滤波数据同化方法,本文利用范阿伦A星、B星和GOES-13和GOES-15四颗卫星的辐射带电子观测数据,分别利用三种不同维度的辐射带物理模型,将观测结果与数值结果有机融合,对2013年3月地球外辐射带电子通量的径向分布与变化进行数据同化分析.结果表明,考虑了磁层波动与辐射带电子共振作用引起的径向扩散、投掷角扩散以及能量扩散过程的三维同化模型可有效、合理地重现外辐射带电子通量的径向分布.本文进一步利用该三维同化模型对2013年一整年外辐射带电子的相空间密度分布进行重构与分析,得到了不同绝热不变量和不同地磁活动条件下电子辐射带的时空演化过程,从而为深入理解外辐射带电子的变化过程和动力学机制提供了强有力信息.通过分析同化过程中的新息矢量以及度量同化过程中观测数据在多大程度上修改了物理模型结果,还有助于定量分析现有辐射带物理模型中的源项和损失项的相对贡献以及可能忽略的物理机制或过程.

     

地球系统科学

地球系统科学（earth system scierce）是从整体论的观点出发,研究地球这个大系统内具有有机联系的子系统,即各圈层内部以及图层之间的相互作用和运动变化的全过程、形成机制以及可能发生的发展变化趋势。     

深井地球物理观测的最新进展与中国大陆科学钻探长期观测

深井地震与地球物理观测(Borehole Seismology)是21世纪的一项崭新的高科技项目. 其目的是为了解决地球的表面效应和人类社会高度发展的城市化、工业化、现代化带来的噪音干扰,提高信噪比,推进现代地球物理观测与研究.随着地球系统科学的深入以及解决环境、资源、地震灾害预报等问题的需求, 近年来世界大陆科学钻探以及在钻孔深井内进行的地球物理长期观测得到了飞速发展,取得了高精度的观测研究成果. 中国大陆科学钻探长期观测在前期工作基础上,已经启动并正在构建我国第一个无地面干扰的深井地震、地球物理长期观测站,为实现我国的“入地”科学计划,开创我国21世纪地球科学观测研究的新局面作出贡献.     

利用GRACE重力卫星观测数据反演全球时变地球重力场模型

本文基于短弧长法开发了一套由低轨卫星数据解算重力场的系统ANGELS（ANalyst of Gravity Estimation with Low-orbit Satellites）,成功用GRACE Level1B数据解算出全球时变重力场模型（第一版IGG-CAS系列模型）,并与国际三大知名重力卫星相关研究机构：美国德克萨斯大学空间中心CSR （Center for Space Research）、德国GFZ地学研究中心（GeoForschungsZentrum）和美国宇航局JPL喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）发布的全球时变重力场模型（RL05模型）进行了详细的比较分析.通过每阶大地水准面差距的对比结果表明,IGG-CAS模型的精度接近RL05模型的精度.对以上四家机构在2004—2010年的时变重力场模型经过相同的去条带和高斯滤波处理,可以发现四家GRACE反演陆地水时变信号的空间分布十分接近,在长江流域反演的陆地水时变信号,两两之间的相关系数均大于0.8.通过反演撒哈拉沙漠干旱地区的时变信号来评估反演的精度水平,IGG-CAS、CSR-RL05、GFZ-RL05和JPL-RL05反演结果的均方差分别为1.5 cm、1.1 cm、1.1 cm和1.2 cm等效水柱高.综合表明IGG-CAS时变重力场反演模型的精度接近于目前国外主要机构最新公布的时变重力场模型.     

基于大数据架构的地球物理观测数据管理系统

中国地震地球物理观测网络的核心业务软件“十五”地震前兆数据管理系统已运行十多年,随着观测数据量的增长,数据库的读取和统计查询的性能逐渐降低。此外,管理系统存在SQL注入和跨站脚本攻击等漏洞的安全问题,系统架构难以满足业务发展的需求。中国地震台网中心基于分布式组件的大数据架构,使用消息中间件和时序数据库等技术对管理系统进行重构,将原来存储于Oracle数据库中的地球物理观测数据、基础信息、产品数据等按照各自特点在时序数据库中建表,并将历史数据和增量数据都迁移到新的时序数据库,显著提升了系统读写和统计性能、数据的安全性和可用性(多副本技术)。分布式和容器化等技术的引入,增强了系统的高可用性,并可通过横向扩展进一步增加系统的处理能力。     

地球系统科学综述

首先从人类面临全球性的重大问题、地球系统的全球化和地球系统科学的关系与传统地球科学三个方面介绍了地球系统科学提出的背景,阐述了地球系统科学国内外研究现状．然后,详细介绍了地球系统科学的概念与研究方法,主要包括研究思路、基本概念、地球系统过程、全球——区域信息获取、海量信息处理和分析及地球系统模型等．第三,构建了地球系统科学理论基础．主要包括：地球系统的连续动态系统、离散动态系统、地球系统的随机性、地球系统的自组织和地球系统的简单巨系统与复杂巨系统,重点介绍了地球系统科学子系统与各圈层相互作用的动力学模型与效应．第四,概述了地球系统的数字表达一数字地球和地球系统科学是可持续发展战略科学基础．最后,简述了中国开展地球系统科学研究的方向和面临的主要科学问题。     

古气候数据同化:缘起、进展与展望

对过去气候变化的准确重建,有助于理解过去气候变化机制、认清现在气候变化形式和预估未来气候变化情景.古气候数据同化是2000年才出现的一种过去气候重建方法,是目前古气候重建领域的一个重要研究方向,它植根于大气、海洋和陆面数据同化的理论框架内,将气候模式和代用资料有效融合,优势互补,以期得到既符合气候变化物理学规律和动力学机制、又包含代用资料记录的气候变化信息的重建结果,在古气候重建领域已经崭露头角.结合国外古气候数据同化研究历程与现状,介绍了古气候数据同化的背景、概念、理论基础,概括了其特点和发展脉络,分析了目前应用较为活跃的三种古气候数据同化方法(松弛逼近法、粒子滤波、集合平方根滤波)及其部分研究案例,并对古气候数据同化目前所存在的一些关键问题进行了阐述.最后对古气候数据同化在未来可能需要重点关注的研究方向作出了展望.     

地球物理场流动观测数据管理系统建设

本文主要介绍了地球物理场流动观测数据管理系统的主要功能和关键技术。本系统主要功能包括流动地磁观测基础信息管理、数据入库、数据目录总览、数据浏览及备份、备份数据入库、数据库检查等。通过本系统的数据备份和备份数据入库功能,可按观测任务期次进行数据备份,并较好地解决了单位间的数据交换问题。数据目录让用户和管理者能够一目了然地了解库里的数据内容。数据库检查则可以定期对数据的正确性和一致性进行检查,以清除数据垃圾,保持数据库的健康性。     

地震地球物理观测台网地电数据集

我国地震地球物理观测台网中地电站网由92个地电阻率站点和111个地电场站点组成,地电数据集由地电阻率、地电场观测数据及相关产品构成,含我国地电站网在运行131个观测台站的原始观测数据、预处理数据和产品数据,并附带观测日志、基础信息等辅助信息,可为地震预测预报、地球动力学、电磁环境监测等多方面的科学研究提供强有力的数据支撑。     

无线地下流体数据监测系统水位观测数据与模拟水位观测数据一致性研究

以山东地区投测的中科光大无线地下流体数据监测系统产出的水位数据为基础,从系统现场测试结果、观测资料变化特征及与模拟观测系统产出数据的一致性研究结果等方面,对该系统进行了分析与评价.认为该观测系统的产出数据能够较客观地反映地下水位的相对变化特征;在观测系统的数据采集模块、GPRS通讯模块和中心系统程序各部分正常工作的情况下,系统产出的数字化观测资料可用于地震分析预报研究.     

地球位场研究计划:二十世纪九十年代的地球重力场与磁场的观测

引言自人造卫星时代初期以来,就用宇宙空间站来测绘地球重力场和磁场。1958年美国先锋1号和苏联地球卫星3号是最初测量地球位场的卫星。用于测绘地球位场的卫星可分为两类,其主要区别是:一类是用饱和式磁力仪,质子旋进磁力仪和碱金属蒸汽磁力仪直接记录     

基于Fortran语言的地球外辐射带电子三维数据同化建模

开发地球电子辐射带的数据同化模型, 对于理解辐射带电子的动态演化过程和辐射带空间天气预报具有重要意义.结合范阿伦卫星的辐射带电子观测数据和外辐射带三维扩散模型, 采用卡尔曼滤波算法, 本文开发了基于Fortran语言的外辐射带电子三维数据同化模型(Three-dimensional Data Assimilative Model of Outer Radiation belt Electrons, 简称TDAMORE), 实现对L^*=3~7、能量范围为0.1~5 MeV、投掷角范围为5°~90°的外辐射带电子时空变化过程的三维重构.通过对2018年8月期间外辐射带电子通量演化过程的重构, 证实TDAMORE模型可以较好地重现不同能量和不同投掷角电子通量在磁暴前后的演化特征.通过分析电子通量的观测和同化结果之间的相关系数、平均误差、平均绝对误差和均方误差, 发现对于能量低于4 MeV的电子, 观测与同化结果之间的相关系数基本大于0.8且误差相对较低.而对于更高能量的电子, 观测与同化结果之间的误差相对较高, 这可能是同化模型忽略了电磁离子回旋波对电子的散射损失导致的.

     

地震地球物理观测台网地应变数据集

作为地壳形变监测的一种手段,地应变观测可监测微尺度下的地表应变变化,其分辨率一般为10-9。目前地震地球物理观测台网在网运行的洞体应变观测台站有111个,分量钻孔应变观测站59个,钻孔体应变测站有68个,产出数据包括原始观测数据、台站预处理数据和产品数据,可为地震研究、地球动力学研究提供重要的数据支撑。     

地球科学:深部的铸造厂

教科书将地球描述为洋葱式的层状结构,中心有个固态的铁球.中心的部分称为内核,被认为是由外围的液态外核逐步冷却、固化形成的[1].在本期的第361页,格宾斯(Gubbins)和同事们[2]完全改变常规,认为内核表面有很大一部分正在熔化.     

大同台地球物理台网观测数据跟踪分析

大同中心地震台地球物理台网观测数据跟踪分析自2014年1月1日以来,已累计产出分析条目约千条.通过对常见的典型干扰事件进行分类梳理,能够直观了解影响该观测数据质量的主要因素,也可为仪器更新改造、备机备件购置、观测数据异常核实及观测环境改造提供参考依据.     

追索为什么?地球系统科学中的因果推理

地球大数据使人们以前所未有的维度和规模认识赖以生存的地球,而挖掘隐藏在数据背后的因果关联是深入理解地球系统的关键.长期以来,以相关为内核的统计方法都是地球系统科学研究的主流方法,但相关并不等于因果,特别是大数据导致“伪相关”的泛滥,传统的相关和回归方法难以解释地球系统因果相关问题.随着因果理论和推理方法的完善,特别是近年来因果发现和因果图模型的成熟,因果推理在地球系统规律揭示、过程理解、假设检验和模型改进等多个研究方向展现出蓬勃的生命力.文章从因果关系的起源、内涵和发展入手,概述了因果推理的主要研究框架和地球系统科学领域常用的因果推理方法,回顾了因果推理在地球系统主要分支领域的应用,探讨了地球系统科学领域因果推理实践面临的挑战和发展方向.在地球大数据背景下,作为重要的大数据分析方法,因果推理与物理模型和机器学习的互惠能够助力地球系统科学实现从模型驱动到机理与数据融合驱动研究范式的转换.展望未来,结构化、规范化的因果理论能够为地球系统科学的因果认知筑基,推动地球系统科学从单一领域的分散研究到地球系统综合理解的认识跃迁.     

基于地球系统模式FIO-ESM的海洋卫星资料EAKF同化实验

基于国家海洋局第一海洋研究所发展的地球系统模式(FIO-ESM),设计了集合调整Kalman滤波(EAKF)同化方案并开展了海洋卫星资料同化实验.设计的数值实验包括1组控制实验和4组同化实验.控制实验由一组初始场各不相同的模式组成,将FIO-ESM模式积分1年;同化实验则在积分过程中不断对海洋模式分量进行海洋卫星数据同化.前2组同化实验分别对卫星海面高度异常(SLA)和卫星海面温度(SST)数据进行同化,后2组实验中SLA和SST均加入同化,但两种数据同化顺序不同.为了检验同化过程对气候模式中海洋模拟的影响,将实验结果与再分析数据集EN3进行了对比分析.与海洋模式不同,耦合模式在海面的动量和热量通量是由耦合过程实时计算得出,耦合模式中多变量之间的约束关系更接近实际的物理过程.海洋卫星资料EAKF同化整体显著改善了FIO-ESM中海洋模式分量的模拟结果,尤其在1000 m以浅效果更为显著.不同类型的卫星观测数据的同化效果在深度上有所不同,SST的改善效果在表层附近较大,而SLA则对次表层改善较大,且在深层SLA的改善大于SST.联合SLA和SST同化的实验结果均比单独同化一类数据的效果更佳,但不同顺序对这2种数据进行同化的差异不显著.     

我国地震水文地球化学观测系统的现状与前景

一、我国地震水文地球化学观测工作的发展历史 1966年3月邢台相继发生6.8和7.2级强震后,在已故周恩来总理的关怀下,我国地震预报工作很快建立和发展起来,地震地下水(当时只有水位和水氡)也做为地震前兆观测项目之一投入现场观测,先后有地质部水文地质工程地质研究所和中国科学院地质研究所及贵阳地球化学所等单位,分别在邢台震区内的宁晋、隆尧、四芝兰和京、津地区建立了水化和水位观测站或观测点。自1968年有正式观测资料以来至今已有18年的观测历史,18年来该项工作经历了三个明显的发展阶段,即:初期建立与快速发展阶段;经历强震检验与经验积累阶段;完善观测系统和调整巩固阶段。